2025年管道的数据结构及容量验证

科技前沿 • 2025-02-09 08:53 • 阅读 52

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一、管道的容量

在管道一端不断写入将会阻塞管道，可以通过这一特点测试管道容量

#include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main(int argc, char* argv[]) {     int pipefds[2]; //[0] for read, [1] for write     pipe(pipefds);          char buf[4096];     for (int i = 0; i < sizeof(buf); ++i)     {         buf[i] = 0x7f;     }          ssize_t ret = -1;          int loop = 100;     if (argc > 1)     {         loop = atoi(argv[1]);     }          for (int i = 0; i < loop; ++i)     {         printf("loop: %d\n", i);         ret = write(pipefds[1], buf, sizeof(buf));         if (ret < 0)         {             perror(NULL);         }         else         {             printf("%d\n", ret);         }     } // 当i=16的时候会阻塞，可知管道大小为64k          close(pipefds[0]);     close(pipefds[1]);          return 0; }

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容量为64K

二、管道的数据结构

一个管道实际上就是个只存在于内存中的文件，对这个文件的操作要通过两个已经打开文件进行，它们分别代表管道的两端。管道是一种特殊的文件，它不属于某一种文件系统，而是一种独立的文件系统，有其自己的数据结构。根据管道的适用范围将其分为：无名管道和命名管道。
● 无名管道
主要用于父进程与子进程之间，或者两个兄弟进程之间。在Linux系统中可以通过系统调用建立起一个单向的通信管道，且这种关系只能由父进程来建立。因此，每个管道都是单向的，当需要双向通信时就需要建立起两个管道。管道两端的进程均将该管道看做一个文件，一个进程负责往管道中写内容，而另一个从管道中读取。这种传输遵循“先入先出”（FIFO）的规则。
● 命名管道
命名管道是为了解决无名管道只能用于近亲进程之间通信的缺陷而设计的。命名管道是建立在实际的磁盘介质或文件系统（而不是只存在于内存中）上有自己名字的文件，任何进程可以在任何时间通过文件名或路径名与该文件建立联系。为了实现命名管道，引入了一种新的文件类型——FIFO文件（遵循先进先出的原则）。实现一个命名管道实际上就是实现一个FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的读、写以及关闭操作都与普通管道完全相同。虽然FIFO文件的inode节点在磁盘上，但是仅是一个节点而已，文件的数据还是存在于内存缓冲页面中，和普通管道相同。

在Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file 结构和VFS 的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。如下图所示。

两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。一个普通的管道仅可供具有共同祖先的两个进程之间共享，并且这个祖先必须已经建立了供它们使用的管道。

2025年管道的数据结构及容量验证

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